11 2014
이슈 / 첨단기술과의 융복합
- 구조물 계측 및 시공기술
칼 럼 ● 구조물 첨단 센싱기술 현황 및 과제 테 마 ● IT기반 고정밀도 구조물 센싱 기술 ● PSC 교량 스마트 긴장력 관리 기술 ● 나노 기술을 활용한 건설기술 및 적용사례 초 대 석 ● 첨단 구조물 손상 계측기술 - 균열 이미지 프로
세싱 기술 소식과 동정
편집소감
과학기술은 근대에서 현대로 접어들면서 점차 융합되기 시작하였다. 20세기 말부터는 본격적으로 학문간 통합의 개념이 도입되었고 융합과학 또는 융합기술 이라는 신조어까지 등장하였다. 오늘날 눈부시게 발전하고 있는 전자통신 기술은 다양한 분야의 복합적 산물이며 이와 같은 융복합의 추세는 건설기술 분야도 예외 일 수 없다.
최근 토목 및 건축 분야에서도 미래 신소재로 주목 받고 있는 나노(Nano) 재료를 건설재료, 계측, 보수 및 보강 등의 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 탄소 나노튜브, 기능성 나노 복합 무기질 활성탄 표면처리제, 나노 시멘트 등이 나노 기술을 사용한 건설재료의 예이다. 한편, 주로 전자 및 기계제품의 용도로 개발 되어 온 센서는 구조물을 모니터링하고, 안전성과 건전성을 평가하기 위한 기본적인 도구로 사용되고 있다. 현재 육안으로 수행하는 있는 구조물 상태 점검에 조만간 레이저 기술과 CCD 센서가 장착된 3D 스캐너를 활용할 날이 그다지 멀어 보이지 않는다. 센싱기술이 사용되고 있는 또 하나의 예로서, PSC 교량의 핵심 기술 중 하나인 텐던의 긴장력 도입에도 로드셀(Load cell)이나 변형률계 등 전통적인 센서 대신에 자기 특성의 변화를 이용한 EM센서나 빛의 굴절률 변화 특성을 이용한 FBG센서 등과 같은 첨단 센서를 사용하여 긴장력 계측의 신뢰성을 대폭 향상시 키고 있다.
이번 호에서는 첨단기술과의 융복합 구조물 계측 및 시공기술이라는 주제를 가지고 건설기술에서의 융복합기술 발전 현황과 우리가 나아가야 할 방향을 살펴보고자 한다.
■신현섭 수석연구원
들어가는 말
1990년대에 발생한 성수대교나 삼풍백화점 붕괴 사고는 시 설물 관리 및 사고 예방 미흡에서 발생한 대표적인 사례라고 해도 과언이 아니다. 사고 발생 이후 정부는 시설물 안전관리에 관한 특별법을 제정하여 시설물 안전관리 법체계를 보완하였 다. 또한 부실 징후가 있는 시설물에 대한 점검 및 보강공사를 실시하였다. 하지만 최근 발생한 세월호 사건을 비롯하여 도심 곳곳에 발생하는 도로 침하 현상 등을 보면 불안한 마음과 함 께 근본적인 대책이 필요하다는 생각이 절실하다.
통계자료에 의하면 국내 SOC 시설물은 1970년대부터 경제 성장과 함께 급증하여 교량, 댐, 상하수도 등 상당수가 건설 후 30년 이상 경과함으로써 고령화 시기에 접어 들고 있다. 이에 정부는 자연재해 대응과 노후화 시설물의 붕괴위험 최소화를 위한 정책을 강구하고 있으며, 산학연을 중심으로 구조물의 안 전성 확보를 위한 연구가 활발히 수행되고 있다(문학룡 등, 2014). 이 중에서 각종 센서 개발 및 센싱기술은 지식 집약적 첨단기술이고 매우 복합적인 분야이다. 또는 현대의 모든 산업 과 연구 분야에 사용되는 핵심 기술로서 구조물의 안전성 및 건전성 분야에 활용할 경우 사고 위험을 조기에 감지할 수 있기 까지 발전해 오고 있다(김훈 등, 2008). 이 글에서는 자연적 또 는 인위적 재해의 위험을 조기에 감지하여 대형 안전사고를 미 연에 방지할 수 있는 구조물 건전성 평가 기술(Structural Health Monitoring)을 주제로 한 센싱기술의 현황을 소개하고자 한다.
첨단 센싱기술을 활용한 구조물 건전성 및 안전성 진단
SOC 시설물은 각기 일정의 목표 수명을 두고 설계되고 있
으나 자연적 및 인공적 사용 환경의 변화, 시공 및 공용기간에 발생할 수 있는 자연 재해와 같은 위험요인의 제거는 현실적으 로 불가능하다. 과거의 각종 센서를 활용한 진단기술은 구조물 에 손상이 발생된 후 계측 당시의 구조물 상태를 파악하고자 사용되었다고 한다면, 현재의 진단기술은 정확한 예측이 불가 능한 위험요인을 조기에 검지하여 재난을 극소화하는 기술이 라 할 수 있다. 구조물 건전성 평가기술(Structural Health Monitoring; 이하 SHM)이 이와 같은 기술 중의 하나로서 구조 물 시공단계에서부터 유지관리 단계까지 발생할 수 있는 사고 나 비정상적인 거동, 손상, 열화 등을 감지해 낼 수 있는 기술 이다(그림 1).
신소재와 무선 통신기술을 활용한 첨단 센서를 활용함으로 써 측정 정밀도는 비약적으로 증가하고 있다. 이와 함께 데이터 처리 및 분석 기술과 같은 소프트웨어 분야의 발전으로 SOC 시설물의 상태평가 및 안전관리는 물론 열화 메커니즘 진단, 이 상 거동에 대한 원인과 이력 추적, 유지관리 및 보수/보강 업무 의 효율화, 안전관리 기능 강화, 위급상황 관리 등이 가능하게 되었다. 이와 같은 통칭 SHM 기술에 있어서의 공통적인 측정 및 분석단계는 표 1과 같다.
구조물 첨단 센싱기술 현황 및 과제
곽 종 원 (인프라구조연구실장, [email protected])
Construction
Operation &
Maintenance
Design-Construction-Operation-Damage-Aging
Controlled Test
Life Assess
Health Continuous Monitoirng Event Based
Monitoring
Repair &
Retrofit
<그림 1> SHM 기본 개념(출처 : 박기태 등, 2012)
>> 이슈 / 첨단기술과의 융복합 - 구조물 계측 및 시공기술
SHM 분야에서 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 미국의 경우를 예로 들면, IABMAS, ASCE Dynamic Committee, ISHMII, SPIE 등의 학회를 중심으로 BSHM(Bridge Structural Health Monitoring)에 대한 위원회 및 세션 구성 등의 활동을 통하여 논문 및 데이터 공유, 다양한 정보의 지속적인 교류가 진행되고 있다. 주요 기술분야로는 이미지 프로세싱 기술, 통계 적 기법을 이용한 패턴인식 기반 SHM, SHM 기법을 이용한 구 조물 신뢰성 평가 등이 있다. 이중 통계적 기법을 이용한 패턴 인식 기반 SHM 기술의 경우 구조물에 부착된 센서로부터 도출 되는 다양한 정적 및 동적 데이터에 대한 분석을 통해 시설물 에 발생할 수 있는 구조거동에 대한 패턴을 분류할 수 있다. 장 기적인 유지관리 시 구조물 모니터링 시스템에는 방대한 분량 의 데이터가 축적되어 실제 구조물의 거동을 정확히 분석, 평 가하는 것이 쉽지 않지만, 패턴 인식 및 분류 기술을 통해 소수 의 센서로도 신뢰성 높은 구조물 상태평가 및 구조 거동 예측 이 가능하게 된다(그림 2).
맺음말
우리가 정기적으로 받는 건강진단은 질병을 조기에 발견하 여 건강한 삶을 계속 영위하기 위함이다. 정확도가 나날이 발전 하고 있는 각종 첨단 센서를 활용한 구조물 진단 및 안전도 평 가기술의 적용 목적 또한 건강진단의 경우와 다를 바 없다고 할 수 있다.
과거 국토개발 및 건설투자로 기인된 국가 주요 사회기반시
설은 노후화되기 마련이고 생애 주기상 필연적으로 안전관리 및 유지관리를 요구하게 된다. 기존 시설물의 노후화를 억제함 으로써 기능적, 사회적 수명을 연장하거나 성능 개선을 통해 경제적 가치를 상승시킴으로써 새로운 기능과 부가가치를 창출 할 수 있다. 관련 분야의 기술 선진국의 경우 이미 오래전부터 경제적 및 사회적 비용을 고려하여 신설 공사보다는 기존 시설 물의 유지관리와 안전성 향상에 더 큰 비중을 두고 예산을 투 자하고 있음을 고려해 볼 필요가 있는 시점이다.
또한, 빈번히 발생하고 있는 대형 안전사고를 미연에 방지하 고 막대한 사회적 비용을 줄이기 위해서는 구조물 진단 및 평 가기술의 필요성에 대해 좀 더 광범위한 사회적 공감대 형성과 활발한 연구개발이 필요하다고 사료된다.
참고문헌
김훈, 송한일, 김용수, 안승수(2008) 안전관리 기술과 첨단 센서의 융합, 대한토목학회지, 제56권, 6호, pp.19-24.
문학룡 등(2014) 건축/대형구조물의 안전관리를 위한 내외피용 IT 기반 고정밀도 패치/임플란트시스템 기술 개발, 2차년도 연차 보고서, 미래창조과학부.
박기태, 신현섭, 이보미, 윤해범(2012) SOC건전도 평가용 신개념 알고리즘 및 센서시스템 개발, 건기연 2012-100, 한국건설기 술연구원.
Level Action Description
1 Detection Determine if damage is present in the future 2 Localization Locate the site of the damage
3 Assessment Estimate the amount of the damage
4 Prognosis Estimate the future progress of damage and the remaining life of the structure
5 Remediation Determine, implement and evaluate effective remediation and repair effort
<표 1> SHM - 측정 및 분석단계(출처 : 박기태 등, 2012)
•Frequency
•Mode Shape
•Flexibility
•Transmissibility
•Etc
•Existence
•Location
•Quantification
•Decision
•Making
•Etc Analysis, Data Compression and Feature Extraction
Statistical Pattern Recognition
•Time/Frequency
•Parametric/Non-Parametric
•Known/Unknown Input
•Etc
•Acceleration
•Strain
•Temp/Wind
•Traffic
•Video
•Etc
Feature/Metrics
Damage Detection Useful Data Sensing and Data Acquisition
Data Fusion
Large Amount of Data
Data Fusion and Analysis
<그림 2> 패턴 인식 기반 SHM 개념도(출처 : 박기태 등, 2012)
들어가는 말
안전관리란, 국민의 생활과 밀접한 관련이 있는 구조물의 안 전 확보를 통하여 국민의 생명과 재산을 보호하는 것으로, 구 조물이 고층화 및 대형화되는 추세와 사회가 복잡해짐에 따른 인적 재해 증가, 이상기후 등에 따라 중요성이 강조되고 있다.
1990년대에 들어 성수대교 붕괴(’94. 10), 서울 아현동 가스폭 발(’94. 12), 대구지하철 가스폭발(’95. 4), 삼풍백화점 붕괴(’95.
6) 등의 사고로 말미암아 안전에 대한 국민들의 관심이 급격히 증가하였으며, 특히 최근에 발생한 경주 리조트 붕괴사고(’14.
2), 영천 저수지 붕괴 사고(’14. 8) 등 건축물 및 대형 구조물의 안전을 위한 유지관리와 기술개발 연구에 대한 요구가 급격히 증대되고 있다. 이러한 안전 관련 분야의 불안감 해소를 위해 정부는 안전분야 예산을 당초 12조 4,000억원 규모에서 내년 에는 14조원 규모로 증액시키기로 한 바 있다(기획재정부, 2014).
다시 말하면, 대형화, 다양화, 돌발화되어 가는 재해와 재난 으로부터 구조물을 안전하게 관리하기 위해 IT기술과 융합을 시도하여 관련 분야에 대한 다양한 연구가 2000년대 이후 진 행되고 있으며, 이중 일부 기술 개요 및 연구 동향을 제시하면 다음과 같다(문학룡 외, 2014).
주요 연구개발 현황 소개
■ 화재감지시 광섬유 센서 응용 기술
이 기술은 광케이블과 형상기억합금을 이용하여 화재변형기 를 개발하고, 그 결과를 활용한 100km 이상 초장거리 화재감 지시스템으로서 국내외적으로 화재감지거리 10km 내외인 측 정 범위에 대해 10배 이상 높은 효율을 갖도록 개선한 것이 특
징이다. 주요 안전관리 대상 구조물은 지하공동구 및 케이블망, 그리고 장대터널 등이며, 특히 지하공동구 등의 화재감지에 매 우 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 이 기술은 2011년부터 현재까지 Prototype을 개발하였으며(그림 1), 한국 건설기술연구원 지하전력구에 시범 적용되어 지속적으로 모니 터링을 진행하고 있다(황지현 등, 2014).
■ 캡슐형 임플란트 센서 노드 기술
이 기술은 기존 부착형 진동 측정용 가속도계 개념을 탈피 하여 콘크리트 구조물에 설치가 용이하도록 센서 외형을 처리 하고, 기존 무선 가속도계를 기준으로 통신 거리와 전원 소모 량을 획기적으로 감소시킬 뿐만 아니라 데이터 정밀도를 기존 대비 2.5배 이상 향상시킬 수 있는 기술을 의미한다.
데이터 정밀도 향상은 기존 수준으로 감지하지 못하였던 구 조물의 이상 거동을 조기에 감지할 수 있도록 하기 위함으로 써, 구조물 붕괴 등 극한 상황에 도달하기 이전에 대피할 수 있 는 시간을 더 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 이 러한 임플란트 센서 노드의 경우, 현재 올림픽대교 내부에 시
IT기반 고정밀도 구조물 센싱 기술
박 기 태 (인프라구조연구실 연구위원, [email protected])
<그림 1> 화재감지시스템 시범적용 예(출처 : 황지현 등, 2014)
범 설치되어 현장 적용시 이상 여부에 대해 분석 중에 있다(그 림 2).
■ 발광센서를 이용한 응력감지시스템 기술
발광센서를 이용한 콘크리트 구조물 응력감지시스템 분야는 역학적인 자극에 반응하는 스트레스 감지형 발광 센서의 개발 을 통해 구조물의 스트레스 집중 부위를 광학적으로 분석해 내 는 안전관리 기술을 의미한다. 이 기술을 이용한 균열 감지폭 의 최종 목표는 0.1mm 이내이며, 응력측정 분해능의 경우 5MPa 이내를 목표로 하고 있다. 현재까지 응력발광 소자 구현 을 위해 센싱 필름을 제작하였고, 이에 대한 실내 실험을 완료 한 상태이다(그림3).
이 기술에는 ML(Mechano-Luminescence) 센서가 적용되 며, 이를 실험체에 적용하여 발광 강도를 측정한 후 유한요소
해석에 의한 응력 분포와 비교하여 90% 이상의 정확도를 나타 내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 구해진 응력에 따라 구조 물의 건전성을 직접 평가할 수 있으므로 현장 응용기술에 대한 심도 있는 연구가 이루어진다면 콘크리트 구조물 유지관리에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
■ 계측데이터 기반 안전성 평가 기술
기존 계측시스템에서의 데이터 활용은 경향 분석을 통한 이 상 데이터 유무 분석에 중점을 두었으며, 계측데이터를 분석한 결과는 주로 가속도 데이터를 활용한 고유진동수 측정 또는 케 이블 장력 측정 등에 대해 국한하여 적용되어 왔다. 따라서 최 근 들어 무수히 많은 데이터를 서버에 저장하고도 특별히 활용 사례가 없는 것이 현행 계측시스템의 가장 큰 문제라고 지적되 어 온 것이 사실이다.
■ 올림픽대교 ■ 모형풍력발전기
설치 작업 설치된 무선 센서 데이터 송수신기
우선센서 설치위치
CH #1
CH #2 Mode Shape :
CH #3
CH #4
-2 -1 0 1 2 4
3
2
1
0
<그림 2> 임플란트 센서 시범적용 예(출처 : 문학룡 등, 2014)
ML film Grey level Image After image processing Finite Element Model
<그림 3> ML센서를 이용한 응력분포 가시화 예(출처 : 문학룡 등, 2014)
이 기술은 이러한 문제를 고려하여, 계측데이터를 보다 효과 적으로 활용하기 위한 방법론을 알고리즘화하여 현장 계측시스 템에 적용될 수 있도록 프로그래밍화 결과를 제공하는 것이 최 종 목표이다. 이 기술에는 고감도 진동 응답분석 알고리즘과 통 계확률 분석기법, 그리고 전기·전자 분야의 이상 신호 검출에 주로 많이 활용되는 HHT(Hilbert Hwang Transform)기법 등이 적용되고 있으며, 현재 알고리즘이 완료되고, 이에 대한 프로그 래밍화가 진행되고 있다(김태헌 등, 2013;그림 4).
맺음말
이 글에서는 최근 주요 구조물 안전관리와 관련하여 진행되 고 있는 기술 중 일부를 제시하였다. 최근 들어 건설 분야에서 도 IT, NT 등 첨단 기술을 융합하는 방향으로 연구가 많이 진행 되고 있는 바, 해당 분야에 대하여 정부의 지속적인 연구개발 투자 수준을 향상시킨다면, 향후 10년 이내에 우리나라 건 설-IT 등의 융합기술 수준이 선진국 수준에 도달할 수 있을 것 으로 기대된다.
참고문헌
기획재정부(2014) 제11차 재정관리협의회 자료.
김태헌, 박기태, 신현섭, 주봉철, 김병철, 황지현(2013) 경험적 모 드 분해 기법을 이용한 구조물의 이상거동 감시, 대한토목학 회 정기학술대회.
문학룡 등(2014) 건축/대형구조물의 안전관리를 위한 내외피용 IT 기반 고정밀도 패치/임플란트시스템 기술 개발 2차년도 연차보고서. 미래창조과학부.
황지현, 박기태, 이규완(2014) 형상기억합금과 광케이블을 이용 한 터널의 화재감지 시스템 개발에 관한 실험적 연구, 한국구 조물진단유지관리공학회 논문집, Vol 18, No 4.
<그림 4> 안전성평가 알고리즘 검증 실험체 예(출처 : 김태현 등, 2013)
국민 삶의 질 향상에
기여하는
국민행복기술
파트너
들어가는 말
현재까지 다양한 교량들이 개발되어 사용되고 있지만 가장 널리 사용되는 교량은 콘크리트 교량이며, 그중에서 프리스트 레스트(prestressed concrete, 이하 PSC) 교량이 가장 큰 비율 을 차지하고 있다. 2011년 기준 국내 전체 교량 중 PSC 교량 의 비중은 38% 정도이며, 계속해서 그 비중이 늘어나고 있다.
외국의 경우에도 전체 교량 중 PSC 교량의 비중이 일본 40%, 미국 48% 독일 37%, 영국 28% 등을 차지하고 있다(그림 1).
PSC 구조는 콘크리트 구조에 텐던이라는 긴장재를 이용하 여 압축력을 부가함으로써 콘크리트 구조물의 성능을 크게 향 상시킬 수 있으며, 이를 통해 철근 콘크리트 구조물이 구현할 수 없는 고품질의 장지간 구조물을 가능케 함으로써 콘크리트 구조물에 혁신을 가져온 기술이다. 하지만 텐던에 과도한 하 중이 부과되거나 그라우트 공극 영향에 의한 부식 등이 발생 할 경우 전체 교량의 붕괴를 유발하므로 이를 시공 단계부터
구조물의 수명이 끝날 때까지 적절한 관찰과 유지관리가 필요 하다.
긴장력 측정 기술의 현주소
PSC 교량의 건전성을 확보하기 위해서는 먼저 텐던에 작 용하는 긴장력을 측정하여 현재의 상태를 확인해야 한다. 로 드셀이나 변형률계 등을 이용하는 전통적인 방법이 가능하지 만 그 신뢰성과 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 최근에 대두 되는 방법은 강자성체인 텐던의 응력 상태에 따른 자기특성 변화를 이용한 EM 센서를 이용한 방법이 있다(그림 2). EM 센 서는 사장교나 현수교의 케이블이나 비부착 텐던의 장력 측 정, 긴장시 긴장력의 계측 등에는 효율적으로 적용할 수 있지 만, 부착식 텐던의 장력을 측정하는 데는 센서의 크기 및 비용 문제로 인해 한계가 있다. 또 다른 방법은 7연선으로 구성되 는 강연선의 심선에 FBG 센서를 이식한 스마트 강연선이다.
PSC 교량 스마트 긴장력 관리 기술
조 정 래 (인프라구조연구실 연구위원, [email protected])
<그림 1> 국내 PSC 교량 건설현황(교량 연장기준, 10년 평균)(출처: 국토해양부, 2012) 100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2,002 2,003 2,004 2,005 2,006 2,007 2,008 2,009 2,010 2,011
기타 8%
강교량 34%
RC교량 20%
PSC교량 38%
스마트 강연선은 텐던의 길이 방향으로 원하는 수의 센서를 이식하여 측정할 수 있고, FBG 센서의 활용으로 내구성이 우 수한 장점을 지니고 있다. 전남대 김재민 교수 연구팀은 강재 중공관에 FBG 센서를 이식하고 에폭시 수지를 함침한 심선을 사용하는 형태의 스마트 강연선을 제안한 바 있다. 이 방식은 제작상의 문제로 인해 수율이 떨어지고, 수십 미터에 이르는 긴 텐던의 제작이 힘들며, 텐던의 긴장시 발생하는 높은 변형 률까지 긴장력을 지지하지 못하는 단점이 있다. 한국건설기술 연구원에서는 기존의 스마트 강연선의 단점을 해소하기 위해 최근 강재 심선을 탄소 심선으로 대체하고, 탄소 심선을 제조 할 때 FBG 센서를 이식하는 형태의 새로운 스마트 강연선을 개발한 바 있다(그림 3).
맺음말
현재까지 개발된 긴장력 측정 기술 중에서는 스마트 강연선
을 이용한 방법이 가장 진보적이고 현장 적용 가능성이 높은 것 으로 판단된다. 이 기술을 요소 기술로 활용하여 관련 시스템을 도출할 경우 시공단계부터 공용단계까지 PSC 교량의 전 주기에 걸쳐 스마트 긴장력 관리가 가능할 것으로 기대된다.
참고문헌
국토해양부(2012) 도로교량 및 터널 현황.
김재민, 김영상, 김현우, 서동남, 윤정방 (2008), 광섬유 센서가 내장 된 강연선을 이용한 교량의 장력 모니터링 방법, 한국전산구조 공학희 논문집, 한국전산구조공학회, 제21권, 제3호, pp. 287- 294.
박영환 등 (2013) PSC 교량의 스마트 긴장력 관리 기술 개발, KICT 2013-167, 한국건설기술연구원 주요사업 연구보고서.
DYWIDAG-SYSTEMS INTERNATIONAL(n.d.) Elasto-magnetic sen- sor for force measuring for tendons and anchors. 2014, 9월 29일 검색, http://www.dywidag-systems.com.
<그림 3> 기존 강연선과 스마트 강연선(출처: 김재민 등, 2008;박영환 등, 2013) 강재 측선
[기존 강연선]
(전남대 방식) (KICT 방식)
FBG센서 FBG센서
강재 측선
중공강관 강재 측선 탄소 심선
[스마트 강연선]
15.2mm 강재 심선
수지 수지
<그림 2> DYWIDAG의 긴장력 측정 강연선 및 정착구(출처: www.dywidag-systems.com)
들어가는 말
미래 건설시장에서는 첨단 소재공학의 개념이 도입되는 추 세이며, 나노 기술(Nano Technology)이 대표적 사례라 할 수 있을 것이다. 나노 기술이란 나노 크기 수준에서 조작 및 제어 가 가능한 과학기술로서 나노 기술의 실용화는 재료, 전자 제 품들을 시작으로 의료, 환경 및 에너지 분야로 실용화가 전개 될 것으로 예상된다. 특히 나노 재료는 기존 물질보다 뛰어난 기계적, 전기적, 열적, 화학적 특성을 보유하고 있어 미래의 신 소재로 차세대 전자정보산업분야, 대체에너지분야 및 복합소 재분야 등에서 이를 활용하기 위한 다양한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 최근 건설분야도 이에 발맞추어 나노 소재를 건설재료, 계측, 보수, 보강 등의 다양한 분야에 적용하는 연구 가 점차로 진행되고 있다.
나노 기술의 건설분야 응용
■ 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)
CNT는 1991년 Iijima 박사에 의해 처음 발견되었다. CNT는 그래파이트(Graphite)의 변형된 형태로 그림 1과 같이 벽을 이 루고 있는 결합 수에 따라 SWNT(Single-walled Carbon
Nanotube), DWNT(Double-walled Carbon Nanotube), MWNT(Multi-walled Carbon Nanotube), RCNT(Rope Carbon Nanotube)로 구분되며, 역학적 특성은 탄성계수는 강철의 7배, 인장강도는 강철의 약 100배, 전기전도도는 구리선의 1,000배 및 열전도도는 다이아몬드의 약 2배로써 뛰어난 역학적 특성 으로 인해 건설분야에서도 큰 관심을 가져왔다.
특히 CNT는 뛰어난 강도 특성과 함께 매우 높은 형상비(길 이/직경, 1000 이상)를 가지고 있어 시멘트 복합체의 보강 섬 유로서 매우 이상적인 재료라고 할 수 있다. 그러나 이에 관한 연구는 극히 초기 단계에 머물러 있으며, CNT의 고른 분산과 부착력을 확보하는 데 어려움이 있어 예상만큼의 성과를 얻지 못하고 있는 것이 현실이다. 이것을 해결하기 위해 많은 연구 가 필요하다.
■ 기능성 나노 복합 무기질 활성탄 표면처리제(출처 : 한형섭, 2008)
콘크리트 표면 보호 코팅을 목적으로 기존의 합성수지계 재 료의 문제점을 보완하기 위하여 나노 합성 무기질 활성탄소계 를 이용한 표면처리제이다. 이러한 나노 표면처리제를 콘크리트 표면에 도포하면 콘크리트 조직에 침투하여 미세기공을 가지 게 되는데 미세기공은 직경이 3~100Å으로 열화인자를 근본 적으로 차단할 수 있는 특성을 지니고 있다. 그림 2는 콘크리 트 표면에 도포된 합성수지계 도막과 나노복합 활성탄 표면처 리제의 도포에 따른 표면 형상을 나타낸 개념도이다. 합성수지
나노 기술을 활용한 건설기술 및 적용사례
류 금 성 (인프라구조연구실 수석연구원, [email protected])
Single-walled Carbon Nanotube
Arm-chair Structure
Zigzag Structure
Nanotube Rope Double-walled Carbon Nanotube
Multi-walled Carbon Nanotube
항목 물성
진밀도 0.02~0.05 g/cc 형상비 103~104
탄성률 1-2 TPa
인장강도 30~180 GPa 전기전도도 6000 S/cm
비표면적 up to 200 ㎡/g 열전도도 6000 W/m-K
<그림 1> CNT의 구조 및 역학적 특성 (출처 : 고려대학교 나노일렉트로닉스 연구실 홈페이지)
<그림 2> 합성수지계 도막 (출처 : 한형섭, 2008)
팽압작용
<그림 3> 나노 표면처리제 (출처 : 한형섭, 2008)
물의 발수 수증기 투과
침투 및 코팅
계 도막은 시간이 경과됨에 따라 내부 수분의 팽압 작용으로 인한 부풀음 및 탈락 등이 발생되는 반면, 나노복합 활성탄 표 면처리제의 경우에는 콘크리트 내부의 모세관 공극에 균질하 게 침투함과 동시에 통기성을 나타내어 장기적으로 박리, 탈락, 변형 등의 문제점을 해결할 수 있다.
■ 나노 시멘트 및 나노 TiO2 응용(출처 : 진정일, 2013)
나노 시멘트는 나노크기의 입자로 인해 수화반응 속도가 빨 라짐에 따라 응결 및 경화 속도가 촉진되는 효과를 얻을 수 있 으며 콘크리트 내부의 공극을 메꿈으로써 치밀화, 고성능, 고강 도가 가능한 기술이다. 이와 관련하여 한양대 친환경 구조연구 실에서는 시멘트 입자의 150분의 1로 쪼개 입경 200nm의 나노 시멘트를 세계 최초로 제조하였다. 이와는 좀 다른 방법으로 시 멘트의 경화를 촉진시키기 위해 작은 입자의 첨가제(모립(母粒) 를 이용하는 시딩(Seeding)법이다. 독일의 BASF사는 고분자 물 질을 사용하여 나노 결정들이 잘 분산될 수 있는 특수 기술을 개발하였고, X-Seed 첨가로 콘크리트 경화시간을 실온에서 반 (12시간에서 6시간)으로 줄일 수 있는 촉진제들을 시판하고 있 다. 이탈리아의 Italcementi사는 이산화티타늄(TiO2, 백색)의 광촉 매 특성을 이용해서 건축물 표면에 흡착하는 오염물질을 깨끗 이 산화해 제거하기 위해 TiO2(특히 Anatase 결정꼴)가 배합된 시멘트를 개발하여 건축에 사용하는 콘크리트를 만들었다. 그림 4와 그림 5에서 일종의 광활성 시멘트로써 2000년에 최초로 프 랑스 샹베리(Chambery)에 있는 음악의 전당(Cite de lu Musique) 과 이탈리아의 쥬빌레 교회당(Jubilee Church)에 사용되었다.
두 건물이 세워진 지도 벌써 10년이 넘어가지만, TiO2 나노 입자로 인해 표면에 때가 끼지 않아 눈부신 흰색을 그대로 유지 하고 있다. Italcementi사의 광촉매 시멘트는 2008년에 타임지가
50대 최고 발명에 포함시켰을 정도로 뛰어난 기술이다. 그림 6 은 나노 크기의 TiO2를 이용하여 유리창을 코팅한 것으로 건축 산업에서 나노 기술이 가장 큰 변화를 일으킨 사례이다. TiO2는 흰색 안료로써 유리창을 하얗게 코팅하면 투광을 막아 유리창 역할을 못 하게 한다. 그러나 TiO2를 나노 크기로 하여 코팅하 면 이런 문제는 해결된다. 또한, TiO2는 자외선에 노출되면 친수 성으로 변하므로 친수성 유리창은 비가 오거나 호스로 물청소 하면 표면에 묻은 먼지나 때를 씻겨 내리게 한다. 그러나 이러 한 TiO2를 유리창에 50nm 두께로 코팅하기란 쉬운 일이 아니 다. 유리 제조사인 Pilkington사는 나노 두께의 코팅을 하기 위해 현재 기체화학증착법 기술을 사용하고 있다. 이외에도 태양열 이 창문을 통해 덜 들어오게 하는 코팅, 방안의 열기가 덜 빠져 나가게 하는 코팅 등 특수 코팅 방법 등이 일부 사용되고 있다.
맺음말
나노 소재 기반의 신소재 제조 및 개발 그리고 적용은 시대 적인 흐름이다. 이미 반도체, 투명전극 등 몇몇 특정 분야에서 는 나노 기술을 이용한 신기술이 시장진입을 목전에 두고 있다.
따라서 침체되어 있는 국내외 건설시장의 새로운 시장 개척을 위해서도 지금보다 적극적인 투자와 연구가 절실히 요구되며, 이러한 나노 기술이 새로운 건설시장을 개척할 수 있는 발판이 될 수 있을 것이다.
참고문헌
고려대학교 나노일렉트로닉스 연구실 홈페이지(n.d.) CNT 구조 및 물성. 2014, 9월 25일 검색, http://nanotube.korea.ac.kr.
진정일(2013) 새로운 건축물에 숨어 있는 나노 기술. 화학연합 Vol5, No.2, pp. 30-32.
한형섭(2008) 친환경 나노 콘크리트의 기술현황 및 방향. 대한건 축학회 학회지, V.52, No.12(2008-12), pp.30-33.
<그림 4> Cite de lu Musique (출처 : http://projects-architecte-urbanisme.fr)
<그림 5> Jubilee Church (출처 : 진정일, 2013)
<그림 6> 나노 TiO2 코팅 유리창 (출처 : 진정일, 2013)
들어가는 말
최근 잇따라 발생한 대형 재난사고 소식에 그 어느 때보다 안전에 대한 중요성이 부각되고 있으며, 이와 더불어 시설물 의 안전관리에 대한 국민적 관심도 커지고 있다. 국내 사회기 반시설물은 그 수가 지난 수십 년간 급속히 증가하여 포화상 태에 이르렀으며 이미 많은 부분에서 노후화가 진행되고 있어 제대로 된 안전관리가 절실하다.
국내 시설물 안전관리는 시설물 안전관리에 관한 특별법(이 하 시특법)에서 정한 기준에 의해 점검과 진단이 이루어지고 있다. 그중 정밀점검과 정밀안전진단 시에 이루어지는 외관조 사는 중요한 검사 항목중 하나이지만 아직까지 대부분 사람의 육안에 의존하여 수행되고 있는 것이 현실이다. 육안에 의한 조사는 점검자 주관에 의존하기 때문에 손상의 누락이나 오류 의 발생 여지가 크며 정밀성과 객관성이 결여될 수 있다. 따라 서 일본, 유럽 등의 선진국에서는 오래전부터 첨단 장비를 이 용한 외관조사를 도입하여 널리 시행하고 있다. 국내에서도 당사에서 개발한 비접촉식 구조물 스캐닝 기술을 활용한 조사 방법이 2003년 금화터널을 시작으로 점차 확대되고 있고. 현 재 주요 지하철, 일반철도, 고속철도, 고속도로, 여수로, 도수 로 터널 등에 적용되고 있다. 이 글에서는 해외에서 개발된 외 관조사 자동화 기술들을 살펴보고 국내 구조물 표면 스캐닝 기술을 간략히 소개해 보고자 한다.
해외 외관조사 자동화기술
해외의 구조물 외관조사 자동화 기술은 이미 오래전부터 개 발되기 시작하여 다양한 방법이 개발 및 적용되었으며, 특히
일본의 경우 여러 기관에서 관련 기술에 대한 개발이 이루어졌 다. 하지만 그 용도가 터널에 국한되어 있어 기술의 확장이 용 이하지 않은 한계를 갖고 있다. 일본 및 기타 선진국의 기술은 크게 레이저 방식과 CCD 라인센서 카메라 방식으로 나눌 수 있으며 각 기술의 내용은 아래와 같다.
■ 레이저 방식
레이저 방식을 이용한 계측시스템으로는 일본의 Tunnel Catcher, 스위스의 TS360 그리고 프랑스의 ATLAS-15 등이 있으며, 그 원리는 측정장치로부터 레이저 빔을 터널 라이닝 표 면에 방출한 후 반사되어 돌아오는 광선의 반사광량을 분석하 여 라이닝 표면의 상태를 영상으로 나타내는 시스템이다. 레이 저빔을 가늘게 만들어 폴리건 스캐너 등을 이용하여 계측 대상 물에 고속으로 주사하고, 반사되는 광선의 양을 고속 광센서로 검출한다. 검출된 정보는 디지털신호로 변환하여 고속데이터 레코더 등으로 기록한다. 그러나 레이저 빔을 이용한 방식의 균 열 검출 시스템은 반드시 정속주행을 해야 하기 때문에 일부 정속주행이 가능한 직선구간이나 구배가 거의 평활한 제한적 인 터널 구조물에 국한되어 적용할 수 있을 뿐만 아니라 레이 저 빔의 간섭율이 높은 관계로 인하여 오차율에 대한 한계를 극복할 수 있는 기술개발이 필요하다.
■ CCD 라인센서 카메라 방식
CCD 라인센서 카메라는 일반적으로 제품 생산 공정에서 불 량 제품을 검출하는 시스템으로 많이 활용되고 있는데, 이러한 시스템을 콘크리트 구조물에 적용할 수 있도록 개발된 것으로
첨단 구조물 손상 계측기술
- 균열 이미지 프로세싱 기술
지 기 환 (한국계측기술연구소(KMTL) 기술연구소장, [email protected])
주로 일본 영단 지하철의 Tunnel Inspection System, 일본 JR 동해의 Tunnelas 등에서 주로 활용되고 있다(그림 1). 그 원리 는 CCD 라인센서 카메라를 이용하여 영상을 취득하는 방식으 로 투영장치, 화상기록장치, 조명장치 등으로 구성되어 있다.
일본의 경우 초기에는 레이저를 이용한 시스템을 사용하여 외관조사를 실시하여 유지관리를 하였다. 그러나 활용도 및 정 밀도에 있어서 여러 가지 문제점이 노출되어 터널의 건축 한계 등의 측정에는 적용되고 있으나 외관조사에는 사용이 제한되 고 있다. 현재 최신 광학 기술 및 화상처리 기술의 비약적인 발 전으로 인하여 고화질 비디오카메라를 이용한 시스템으로 연 구 개발하고 있고 그 적용이 점차 확대되고 있는 추세이다.
유럽에서는 가시광선 영역에서 얻는 화상 이외에도 터널 내 공형상 및 적외선 열화상 정보가 함께 기록되는 시스템이 개발 되어 현장에서 활용되고 있으나 구조물 외관조사에 적용하기에 는 레이저 뿐만 아니라 적외선 열화상 정보 처리 시스템 해상 도 등의 한계로 인하여 적용성에 대한 기술적 도약이 필요한 시점이다.
구조물 표면 스캐닝 기술
국내에서 10여년 간 지속적으로 개발한 구조물 표면 스캐닝 기술은 여러 대의 고감도 CCD 카메라를 이용하여 시속 5~10km로 이동하면서 구조물 표면을 촬영하고 각종 영상처 리기법들을 통해 구조물의 균열 등 변상상태를 검출하는 기술 이다. 이 스캐닝 기술은 기존 육안조사 대비 수백배 빠른 속도
로 외관조사 작업이 가능하다. 또한, 정밀한 변상 데이터를 디 지털 방식으로 구현하는 통합관리시스템(경년변화 추이)으로 구축이 가능하고 데이터베이스를 통한 집중 관리가 가능한 시 스템이다. 이러한 구조물 표면 스캐닝 기술은 크게 영상획득기 술, 영상처리기술, 균열 mapping 기술의 3가지 핵심 기술로 구 성된다.
■ 영상획득기술
영상획득기술은 여러 대(최대 16대)의 고감도 CCD 비디오 카메라를 하나의 지그에 장착하여 시속 5~10km 내외로 주행 하면서 왜곡과 진동 영향이 최소화되도록 구조물 표면을 촬영 하는 기술이다. 최적조건일 경우 0.1mm의 균열폭까지 추출이 가능한 정밀한 영상을 획득할 수 있는 기술로, 카메라의 왜곡 과 주행시 진동 영향을 최소화시켜 영상을 획득하는 것이 가장 핵심적인 기술중 하나라 할 수 있다. 해당 기술에서는 카메라 자세 제어장치, 레이저 화각장치, 방진장치 등을 개발하여 왜곡 과 진동문제를 개선한 영상획득 시스템을 구성하였다.
■ 영상처리기술
여러 대의 카메라로 획득한 동영상을 왜곡 보정을 거쳐 정지 영상으로 변환한 후 하나의 정지영상으로 접합하고, 이를 디지 털 영상처리기법을 이용하여 균열, 박리, 누수, 백태 등의 주요 변상들을 찾아내고 그 정도를 측정하여 필요한 형식의 데이터 로 출력하는 것이 영상처리기술의 흐름이다.
<그림 1> CCD 라인센서 카메라 방식
Tunnelas, 일본 TIS, 일본 국내 스캐닝 기술(TMS-100)
영상처리기술에 있어서 핵심은 현장에서 취득한 대용량의 영상 데이터를 고속으로 접합하는 기술, 정지영상에서 균열을 추출하는 기술, 균열을 수치화 하는 기술, 균열을 도면화 하는 기술이다. 각각의 처리 단계별로 적합한 소프트웨어가 필요하 며, 영상처리시스템을 구성하기 위해 영상 Merging, 영상 편집, 영상 왜곡 보정처리, 변상 정보 인식 및 측정, 데이터 출력과 같은 상세 핵심 기술을 개발하였다(그림 2).
■ 균열 Mapping 기술
앞서 영상획득기술과 영상처리기술을 통해 얻어진 구조물의 균열, 누수, 백태, 박락 등의 변상정보를 정량적으로 조사하여 데이터베이스를 구축하고 2차원, 3차원으로 상태 변화 이력을 입력, 조회할 수 있는 기술이다. 특히 균열의 진행 여부를 판단 하는데 있어 이러한 균열 Mapping 기술을 통해 이전 진단결과 의 균열과 현재 진단결과의 균열을 오버랩시켜 상호 비교하는 것이 가능하다. 본 기술에서는 구조물의 균열 상황을 한 눈에 파악할 수 있도록 균열 Mapping, 구조물 위치에 따른 균열 밀 도 및 진행성을 균열 타입별로 영상화하여 분석하여 균열 원인 등을 제시하였다(그림 3).
맺음말
기존 구조물의 외관조사는 기술자가 육안으로 조사하면서 야장에 직접 그리고 이를 CAD로 다시 그려서 변상물량을 산정
하는 3단계 이상의 주관적인 판단과 오차를 수반할 수밖에 없 는 단계로 이루어지고 있다. 이를 자동화하는 기술은 구조물의 유지관리에 대한 중요성을 먼저 인식한 해외 선진국에서부터 시작되었지만, 국내에서 개발된 영상기반 스캐닝 기술은 정밀 도와 기술적 집약 속도, 준비시간 등의 면에서 해외 기술과 견 주어도 뒤쳐지지 않는 기술 수준을 확보하였다. 하지만 아무리 우수한 기술이라도 실질적으로 활용되지 않으면 도태될 수밖에 없다. 본 기술과 같은 신기술들이 살아남아 지속적으로 발전하 기 위해서는 신기술을 적극적으로 활용하고 신기술의 도입을 막는 각종 규제나 제한을 줄이려는 관련기관의 아낌없는 지원 과 노력이 절실하다. 보다 많은 구조물과 다양한 영역에서 신기 술의 적용이 확대되고 이를 통해 유지관리 분야에 있어서 진단 기술의 개선과 추가 개발 등이 활발히 이루어지기를 기대한다.
참고문헌
이강문 등(2003) 영상처리를 이용한 구조물의 균열 자동인식 시 스템 개발. 산학연 공동연구개발사업 최종보고서, 건설교통부.
지기환 등(2006) 고감도 CCD카메라 스캐닝 장치를 이용한 대단 면 장대 터널 균열진행 검출 및 균열상태 mapping 기술개 발. 최종보고서, 산업자원부.
Toshiro Asakura, Yoshiyuki Kojima (2003), Tunnel maintenance in Japan. Tunneling and Underground space Technology Vol. 18, pp.161-169.
<그림 2> 영상처리 이미지 <그림 3> 영상이미지 mapping
우리 연구원은 9월 23일 몽골 울란바토르시 46번 학교 에서 ‘몽골 스쿨존 시범사업 준공식’을 가졌다. 이번 시 범사업은 울란바토르시가 어린이 교통안전을 위해 건설 연에 협력을 요청해 추진됐다. 건설연은 몽골 울란바토 르 46번 학교에 대한 스쿨존 시범사업의 일환으로 차량 의 속도를 줄이기 위한 과속방지턱과 현재 속도 표시기, 잦은 무단횡단 방지를 위한 가드펜스와 신호등을 설치 했다. 아울러 연구원이 개발한 LED 과속방지턱과 횡단 보도 조명등 등 신기술도 적용했다.
우리 연구원은 10월 2일 전 임직원이 참여한 가운데 경 기도 일산 본원 30주년 기념홀에서 경영진과 직원간 소 통의 장 마련 및 경영 정보 공유를 통한 조직성과 제고 를 위해 4/4분기 직원 조회를 실시했다. 이날 행사는 축 하의 시간으로 외부 수상자 표창장 및 장기근속자 공로 상 수여에 이어 원장과의 소통 순으로 진행되었다.
우리 연구원은 10월 8일 경기도 일산 본원에서 덕은초등 학교 4학년 어린이 30명을 대상으로 ‘제95회 어린이 건설 기술 체험교실’을 개최하였다. 이날 프로그램은 ‘홍수와 인 간생활’이라는 주제로 하천해안연구실 이두한 연구위원의
‘홍수의 발생과 대처방법’에 대한 강의와 더불어 사이펀의 원리를 이용한 양변기 만들기 체험, 베르누이의 원리와 비 행기 만들기 체험 및 하천실험실 견학 등으로 진행됐다.
우리 연구원은 10월 15일 경기도 일산 본원에서 ‘공공 건 설공사의 적정공사비 확보를 위한 건설업계와의 간담회’
를 개최했다. 이번 간담회는 건설회사의 견적·적산(공사 실비 산출)을 담당하는 전문가들과 함께 현실과 괴리된 주요 실적공사비 단가의 문제점을 파악하고, 현장에서 받 아들일 수 있는 최적의 적정공사비를 확보하기 위한 노력 의 일환으로 개최됐다.
